Технологические и каталитические процессы

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОСТОВСКИЙ ИНСТИТУТ    (ФИЛИАЛ)

Федерального  государственного

бюджетного образовательного учреждения

выcшего профессионального образования

"РОССИЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТОРГОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ"

Контрольная работа

По дисциплине: "Теоретические основы прогрессивных технологий."

Вариант №: 18.

Тема: Каталитические и технологические процессы.

Выполнил: Монченко Ангелина Анатольевна

Факультет: товароведение и экспертиза товаров

Специальность: (в сфере производства и обращения непродовольственных товаров)

Курс: 5

Группа: ТЭТ

Номер зачетки: 08015

Проверил: Коробкова В.Г. доцент

   Ростов-на-Дону 2012 - 2013       

СОДЕРЖАНИЕ

Технологические процессы ……………………………………………….…3

Каталитические  процессы…………………………………………….….10

Список использованных источников……………………………….…....23

1. Технологические процессы

       Критерии эффективности химико-технологического процесса

        Химическая технология - это научная основа химической промышленности.

        Под технологией в широком значении понимают научное описание методов и средств производства в какой-то отрасли промышленности. Т. е. - это обоснованная последовательность операций или действий, приводящих к достижению поставленной цели.

        Химическая технология - это наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки исходного сырья в предмет потребления и средства производства.

      Понятие о химико-технологическом процессе

      Химическая промышленность дает народному хозяйству огромное количество продуктов, без которых невозможна жизнь современного общества. Сюда входят моторные топлива, масла, горючие газы, кислоты, смолы, волокна, лаки, краски и т.д.

       Важнейшая задача химической технологии - отыскание оптимальных условий для экономически целесообразного осуществления химической реакции в виде технологического процесса.

      Химико-технологический процесс - это процесс получения целевого продукта начиная с этапа подготовки сырья и заканчивая выделением этого целевого продукта.

     Химико-технологический процесс складывается из трех стадий:

 1) подвод реагентов в зону реакции при помощи абсорбции, адсорбции, конденсации паров, плавлением, растворением и др. (осуществляется, как правило, с использованием физических процессов (механических, гидромеханических, тепловых, массообменных));

2) химические реакции  - основа процесса (в ходе этого  происходит глубокое изменение  структуры, состава и свойств  веществ, участвующих в нем);

3) отвод продуктов из  зоны реакции за счет диффузии  или перевода вещества из одной  фазы в другую. Стадия выделения  целевого продукта для большинства  химических производств является  необходимой. Технологический процесс,  в котором достигается абсолютная  селективность и 100% -ный выход целевого продукта, просто экономически невыгоден. Возрастают расходные коэффициенты, энергетические затраты, вследствие чего стоимость продукта резко возрастает, и тогда товар теряет своего потребителя.

     Классификация химико-технологических процессов

    Основой классификации химико-технологических процессов является:

 • способ организации  процесса (т.е. по параметрам технологического  режима);

     По способу организации химико-технологические процессы могут быть периодическими, непрерывными и комбинированными. При этом комбинированные процессы могут характеризоваться непрерывным поступлением сырья и периодическим отводом продукта или наоборот.

 • кратность обработки  сырья (т.е. по методам обработки);

      По кратности обработки сырья различают процессы с открытой, закрытой (циркуляционной) и комбинированной схемами. В процессах с закрытой схемой требуется неоднократный возврат непрореагировавшего сырья в зону химического взаимодействия до того момента, как оно превратится в конечный продукт.

 • вид используемого  сырья;

       По виду используемого сырья химико-технологические процессы условно подразделяют на процессы, использующие минеральное сырье или сырье животного, растительного происхождения.

 • агрегатное состояние  веществ, участвующих в реакции  (т.е. по фазовому состоянию  реагентов);

      По агрегатному состоянию веществ, участвующих в химической реакции, различают гомогенные и гетерогенные химико-технологические процессы.

      Гомогенными процессами называют такие, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-нибудь фазе: газовой (г), твердой (т), жидкой (ж). В этих процессах реакция обычно протекает быстрее. В целом, механизм всего технологического процесса в гомогенных системах проще, соответственно проще и управление процессом. По этой причине на практике часто стремятся к гомогенным процессам, т.е. переводят реагирующие компоненты в какую-либо одну фазу.

       В гетерогенных процессах участвуют вещества, находящиеся в разных состояниях (фазах), т.е. в двух и трех фазах. К гетерогенным процессам относятся, например, горение (окисление) твердых веществ и жидкостей, растворение металлов в кислотах и щелочах и др.

 • по фазовому состоянию  продуктов реакции

 • тепловой эффект  химической реакции;

      По тепловому эффекту химической реакции различают экзотермические и эндотермические процессы.

     Химические процессы, которые протекают с выделением теплоты, называются экзотермическими.

      Химические процессы, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими. Количество выделяемой или поглощаемой при этом теплоты называют тепловым эффектом процесса (теплотой процесса).

 • направление протекания;

       По направлению протекания химико-технологические процессы подразделяют на обратимые и необратимые.

       Теоретически все химические реакции обратимы. В зависимости от условий они могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.

        В необратимых процессах равновесие в реакциях полностью смещается в сторону продуктов реакции, а обратная реакция, как правило, не протекает.

        Во всех обратимых процессах устанавливается равновесие, при котором скорости прямого и обратного процессов уравниваются, в результате чего соотношение между компонентами во взаимодействующих системах остаются неизменными до тех пор, пока не изменятся условия протекания процесса.

 • тип основной  химической реакции (т.е. по  характеру химических реакций);

       В зависимости от типа основной реакции химико-технологические процессы подразделяют на процессы разложения (диссоциации), нейтрализации, замещения, обмена, окисления, восстановления, присоединения (синтеза).

      Процессы разложения, наиболее характерные для технологии органических веществ, сопровождаются образованием более простых, чем исходное сырье веществ. Процессы нейтрализации между веществом, имеющим свойства кислоты и веществом, имеющим свойства основания, приводят к образованию веществ, теряющих характерные свойства обоих соединений. Процессы присоединения сопровождаются синтезом более сложных по сравнению с исходными веществами.

 • условия протекания.

      По условиям протекания химико-технологические процессы подразделяют на электрохимические, каталитические, фотохимические, радиационно-химические.

    Электрохимические процессы

     Электролиз нашел широкое промышленное применение: извлечение и очистка металлов, нанесение гальванических покрытий, анодирование и получение многих веществ.

      Электролизом получают алюминий, цинк, частично медь и другие металлы. Медь, цинк и другие металлы можно очистить с помощью электролиза. Такой процесс называется рафинированием.

      Нанесение покрытия (электроосаждение) осуществляется на катоде. Катод в этом случае погружается в электролит, содержащий ионы электроосаждаемого металла. В качестве же анода используется электрод из того металла, которым наносят покрытие.

       Анодирование или анодное оксидирование - это образование на поверхности металла слоя его оксида при электролизе. Этому процессу обычно подвергают сплавы на основе легких металлов. При этом, на одном и том же металле можно получать фазовые оксиды с разной структурой, а, следовательно, и с различными свойствами (твердость, окраска, электрическая проводимость т.д.).

     Радиационно-химическую технология.

      Целью радиационно-химической технологии является разработка методов и устройств для наиболее экономичного осуществления с помощью ядерного излучения физических, химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем. Выделение этого направления в отдельную область технологии обусловлено, прежде всего, особенностью действия ионизирующего излучения на вещество.

      Основные преимущества радиационно-химической технологии можно сформулировать следующим образом:

 • возможность получения  уникальных материалов, производство  которых другими способами невозможно;

 • высокая чистота  получаемых продуктов;

 • смягчение условий  проведения процесса (температуры,  давления);

 • возможность регулирования  скорости процесса за счет  изменения интенсивности излучения  и, следовательно, легкость автоматизации  процесса;

 • возможность замены  в некоторых случаях многостадийных  процессов синтеза одностадийными.

      Радиационно-химические процессы обуславливаются энергией возбужденных атомов, ионов, молекул.

      Энергия ионизирующего излучения превышает в сотни тысяч раз энергию химических связей. Механизм радиационно-химических процессов объясняется особенностями взаимодействия излучений с реагирующими веществами.

 В качестве источников  ионизирующего излучения используются  потоки заряженных частиц большой  энергии (электроны, частицы, нейтроны, излучение).

       В настоящее время разработаны и находятся в различных стадиях опытно-промышленной реализации более пятидесяти процессов радиационно-химической технологии, например:

 • радиационная полимеризация  и сополимеризация, включающая получение древесно-полимерных и бетон-полимерных материалов, радиационное отверждение покрытий;

 • радиационное сшивание  полимеров и радиационная вулканизация  эластомеров;

 • радиационно-химический  синтез (радиационное хлорирование, сульфохлорирование углеводородов);

 • радиационное модифицирование  неорганических материалов (улучшение  адсорбционных и каталитических  характеристик, радиационное легирование);

 • радиационная очистка  сточных вод.

      Сегодня наблюдается явное смещение интересов использования ионизирующих излучений: от получения продуктов с уникальными и улучшенными свойствами к экономии сырья и энергии.

      Фотохимические процессы

      Фотохимические процессы - это химические реакции, протекающие под действием светового излучения или вызываемые им.

      Механизм фотохимических процессов основан на активизации молекул, реагирующих веществ при поглощении света.

      В зависимости от роли и характера влияния светового луча фотохимические процессы разделяют на три группы:

1) Реакции, которые могут  самопроизвольно протекать после  поглощения реагентами светового  импульса. Для этих процессов  свет играет роль возбудителя  и инициатора. При обычных условиях  эти процессы протекают крайне  медленно, но световое облучение  их значительно интенсифицирует.

2) Процессы, для проведения  которых необходим непрерывный  подвод световой энергии к  реагентам.

3) Процессы, в которых  световой импульс, воздействуя  на катализатор, активизирует  его и способствует интенсификации  химической реакции.

     Фотохимические процессы находят широкое применение в органической химической технологии при синтезе новых химических соединений.

      Каталитические процессы

     Основу каталитических  процессов составляет катализ  - наиболее эффективное и рациональное  средство ускорения многих химических  реакций.

      Катализом  называется увеличение скорости  химических реакций или их  возбуждение при действии веществ-катализаторов,  которые участвуют в реакции,  вступая в промежуточные химические  взаимодействия с реагентами, но  затем восстанавливают свой химический  состав после окончания акта (действия) катализа.

       В качестве  катализаторов в промышленности  чаще всего применяют платину,  железо, никель, кобальт и их оксиды, оксид ванадия (V), алюмосиликаты,  некоторые минеральные кислоты  и соли. Все каталитические реакции  относятся к самопроизвольным  процессам. Со временем катализатор  изменяется и после определенного  срока может полностью необратимо  потерять свою активность.

2.Сущность и виды катализа.

Катализом называется изменение скорости химических реакций  или их возбуждение в результате воздействия веществ-катализаторов, которые, участвуя в процессе, остаются по окончании его химически неизменными.

Катализаторами могут быть различные  вещества: газы, жидкости и твердые  тела. По принципу фазового состояния  реагентов и катализатора каталитические процессы разделяют на две основные группы: гомогенные и гетерогенные. В особую группу следует выделить микрогетерогенные и ферментативные каталитические процессы. При гомогенном катализе катализатор и реагирующие  вещества находятся в одной фазе- газе или растворе. При гетерогенном катализе реагент и катализатор находятся в разных фазах. Микрогетерогенный катализ происходит в жидкой фазе с участием коллоидных частиц металлов в качестве катализаторов. При ферментативном катализе, который происходит в растительных и животных клетках, катализаторами служат также коллоидно-растворенные белковые частицы- ферменты, ускоряющие сложные органические процессы живой природы.

Существуют и применяются вещества, замедляющие, тормозящие химические реакции-антикатализаторы и ингибиторы. Это явление иногда называют антикатализом.

При внесении катализаторов энергетический уровень реагирующих молекул  не меняется. Действие катализатора не смещает равновесие реакции, а лишь ускоряет достижение равновесия при  данной температуре. В присутствии  катализатора в равной мере увеличиваются  константы скорости прямой и обратной реакций и поэтому положение  равновесия не меняется. Поскольку  катализатор не влияет на равновесие, то катализ является мягким приемом  интенсификации химических реакций, не имеющим ограничений, характерных, например, для применения высоких  температур.

Сущность ускоряющего  действия катализаторов состоит  в понижении энергии активации  химической реакции в результате изменения реакционного пути с участием катализатора или вследствие осуществления  реакции по цепному механизму  при инициирующем действии катализатора.

В первом случае реакция протекает  через ряд элементарных стадий, которые  требуют в совокупности меньшей  энергии активации, чем прямая реакция  без катализатора.

Снижение энергии активации  не является единственной причиной резкого  повышения скорости каталитических реакций по сравнению с некаталитическими.

Таким образом, при открытии нового реакционного пути катализатор является активным участником процесса, причем это участие выражается в образовании  с реагирующими веществами неустойчивых промежуточных соединений - активных комплексов, после распада которых катализатор регенерируется. Вследствие регенерации катализатора после каждого цикла промежуточных взаимодействий он остается теоретически неизменным.

Однако на практике в условиях промышленного  каталитического процесса состав и  свойства катализатора меняются в той  или иной мере и его ускоряющее действие уменьшается. Практическое поведение  промышленных катализаторов связано  с основными их технологическими характеристиками: активностью, производительностью, температурой зажигания, селективностью (избирательным действием), износоустойчивостью, отравляемостью и т. п. Основной характеристикой катализаторов служит их активность, т. е. мера ускоряющего действия катализатора по отношению к данной реакции. Чем активнее катализатор, тем при относительно меньшей температуре можно вести процесс, что дает значительные преимущества, как экономические, так и технологические. От активности твердых катализаторов зависит их температура зажигания, т. е. та минимальная температура реагирующих веществ, при которой катализатор «работает», т.е. увеличивает скорость реакции в достаточной для практики мере. Каталитические процессы делят на два основных класса: окислительно-восстановительного взаимодействия и - кислотно-основного взаимодействия веществ с катализатором. Каждый класс делится на группы по типу реакций.

Окислительно-восстановительные реакции - полное и неполное окисление (серная кислота- платина, азотная кислота-платина, формальдегид-медь, серебро); деструктивное окисление (фталевый ангидрид-пятиокись ванадия); гидрирование, дегидрирование (аммиак - железо, этан - никель, анилин - никель, медь).

Кислотно -основные реакции - гидратация, дегидратация, гидролиз, поликонденсация (этиловый спирт - серная, фосфорная кислоты, ацетоальдегид - сернокислые соли ртути); крекинг и изомеризация, алкилирование, полимеризация (бензин авиационный - алюмосиликаты, синтетический каучук - натрий, кумол - фосфорная кислота).

Как видим, различные катализаторы могут ускорять только одну реакцию  или группу реакций, а также реакции  различных типов, т.е. катализаторы, обладают или индивидуальной специфичностью или групповой специфичностью.

Типичными катализаторами для окислительно-восстановительных  реакций являются металлы или  оксиды и сульфиды металлов. Для  кислотно-основных каталитических реакций  типичными катализаторами являются растворенные кислоты и основания, твердые инертные вещества, пропитанные  кислотами и основаниями, или  твердые кислотные или основные катализаторы - ионные кристаллы, или  ионные аморфные гели. Все твердые  катализаторы кислотно-основных реакций  являются изоляторами. Такая специфичность  катализаторов связана с различным  механизмом электронного окислительно- восстановительного и ионного катализов.

Общий механизм электронного окислительно-восстановительного катализа заключается в обмене электронами  между катализатором и реагентами, который облегчает электронные  переходы в реагирующих молекулах. Механизм обычного ионного, кислотно-основного  катализа заключается в обмене протонами или ионами между катализатором и реагирующими молекулами. Образующиеся промежуточные заряженные комплексы неустойчивы и распадаются или реагируют с другой молекулой. В обоих случаях катализатор регенерируется.

Избирательный катализ - это катализ, при котором катализаторы могут ускорять только одну целевую реакцию из нескольких возможных. Он важен для промышленности, особенно в производстве органических продуктов.

Из одних и тех же исходных веществ в ряде случаев можно  получить различные продукты ввиду  протекания нескольких параллельных реакций. Избирательность (селективность) некоторых  катализаторов позволяет сильно ускорять из ряда возможных только одну реакцию, проводить процесс  при пониженной температуре, подавляя, таким образом, другие реакции. Применяя различные избирательные катализаторы, можно из одних и тех же исходных веществ получить различные заданные продукты. Дегидрирование изопропилового спирта в присутствии металлического серебра дает ацетон

С₃Н₇ОН = (СН₃)₂СО + Н₂,

а дегидратация при действии окиси  алюминия - пропилен

С₃Н₇ОН = С₃Н₆ + Н₂О

Дегидрирование этилового спирта при помощи окиси цинка или  меди приводит к образованию ацетальдегида

С₂Н₅ОН = СН₃СНО + Н₂

Дегидратация этилового спирта в паровой фазе при помощи твердого катализатора алюмосиликата приводит к образованию этилена

С₂Н₅ОН = С₂Н₄ + Н₂О

Применение избирательного катализа позволяет осуществить целевой  процесс с получением промежуточного продукта, который при некаталитической реакции превращается в последующие  неценные вещества. Для преимущественного  получения формальдегида применяют  в качестве избирательного катализатора окислы олова или алюмосиликаты, а при гомогенном газофазном катализе окислы азота.

Автокаталитическими называются химические реакции, в которых катализатором является один из промежуточных или конечных продуктов реакции. Так, в цепных реакциях автокатализаторами являются свободные радикалы. К числу автокаталитических относятся некоторые реакции разложения взрывчатых веществ, горения, полимеризации. Для автокатализа характерна малая скорость реакций в начальный период, называемый периодом индукции, и быстрое нарастание выхода продукта в последующий период в результате возрастания количества катализатора. В дальнейшем выход продукта увеличивается согласно закону действия масс, так же как и для обычных реакций.

Гомогенный катализ может протекать в газовой или жидкой фазе при соответствующем состоянии катализатора. Механизм гомогенного катализа состоит в образовании между реагентами и катализатором нестойких промежуточных соединений, существующих в той же фазе (газ или раствор), после распада которых катализатор регенерируется.

Процессы гомогенного катализа классифицируются по типам взаимодействия, фазовому состоянию системы и  механизму катализа. По типу взаимодействия между реагирующими веществами и  катализатором процессы делят на окислительно-восстановительные и  кислотно-основное взаимодействи. По фазовому состоянию гомогенные каталитические процессы делят на жидкофазные (в растворах) и газофазные. По механизму катализа различают ионные, радикальные и молекулярные каталитические реакции.

Катализаторами в растворах  служат кислоты, основания, ионы металлов, а также вещества, способствующие образованию свободных радикалов. Катализ в растворах чаще всего  осуществляется по ионному механизму. Главный тип ионного катализа - кислотно-основной, механизм которого заключается в том, что идет обмен  протонами между катализатором  и реагирующими веществами, сопровождающийся внутримолекулярными превращениями. При кислотном катализе протон (или  положительный ион) переходит сначала от катализатора в реагирующую молекулу, а при основном катализе катализатор служит вначале акцептором протона или донором аниона по отношению к молекуле реагента. Активность катализаторов в кислотно-основном взаимодействии кислот и оснований возрастает с ростом константы их диссоциации. По такому типу протекают реакции гидратации, дегидратации, гидролиза, этерификации, поликонденсации в растворах, например, сернокислотная гидратация этилена в растворе с образованием в качестве продукта этилового спирта.

Газофазный гомогенный катализ, когда и реагенты и катализатор - газы, применяется сравнительно редко. Примерами могут служить окисление двуокиси серы окислами азота в камерном и башенном сернокислотном производстве, окисление метана в формальдегид воздухом, ускоряемое окислами азота. Газофазный катализ может осуществляться по молекулярному и по радикальному механизму. При молекулярном механизме каталитической реакции происходит обмен атомами между катализатором и реагирующими веществами. Радикальный механизм гомогенного катализа возможен как в газовой, так и в жидкой фазе. В этом случае катализатор служит инициатором, направляющим реакцию по цепному механизму.

Скорость гомогенного  каталитического процесса зависит  от ряда факторов: концентрации реагирующих веществ, концентрации катализатора, температуры, давления, интенсивности перемешивания. Зависимость скорости процесса от концентрации реагентов и катализатора определяется, прежде всего, соотношением скоростей элементарных стадий каталитического акта и условиями их равновесия.

При радикальном механизме катализа, когда катализатор лишь инициирует цепную реакцию, скорость каталитического  процесса, естественно, не пропорциональна  концентрации катализатора. Влияние  температуры, давления и перемешивания  на скорость гомогеннокаталитических реакций аналогично общим кинетическим закономерностям гомогенных процессов.

Основным недостатком гомогенного  катализа является трудность выделения  катализатора из конечной продукционной  смеси, в результате чего часть катализатора теряется безвозвратно, а продукт  загрязняется им.

При гетерогенном катализе твердыми катализаторами газовая или жидкая реакционная смесь легко отделяется от катализатора, и это служит одной из важнейших причин большого распространения гетерогенного катализа.

По фазовому признаку известны различные  виды гетерогенного катализа: применяются  жидкие катализаторы, ускоряющие реакции  между несмешивающимися жидкостями или жидкостями и газами, и твердые  катализаторы, ускоряющие реакции между  жидкими и газообразными реагентами. Большинство известных каталитических реакций - это реакции между газообразными  реагентами с участием твердых катализаторов.

При гетерогенном катализе, так же как и при гомогенном, реакция  ускоряется в результате открытия нового реакционного пути, требующего меньшей  энергии активации. Изменение реакционного пути происходит благодаря промежуточному химическому взаимодействию реагирующих  веществ с катализатором. При  гетерогенном катализе промежуточные  соединения возникают на поверхности  катализатора, не образуя отдельных  фаз.